Amesim을 활용한 선박추진시스템 개선

 기후변화는 인류의 삶과 생태계에 다가오는 도전입니다. 이제 해양 산업은 탄소 배출량을 줄이는 데 있어 새로운 과제에 직면해 있습니다. 이 업계에 종사하는 모든 사람은 국제해사기구(IMO) 해양 규정을 준수해야 합니다. 이러한 규정은 점점 더 탄소 배출을 대폭 줄이는 것을 목표로 하고 있습니다. 업계가 혁신적인 선박을 설계할 수 있도록 Siemens는 Simcenter 포트폴리오를 통해 IMO 규정을 준수하는 데 도움이 되는 도구를 제공합니다.

 이 글에서는 Simcenter Amesim이 기존 선박에 Flettner rotor 또는 Rotor sail 을 개조하여 연료 소비 및 온실가스(GHG) 배출 측면에서 이득을 평가하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴보겠습니다 .

 이 모델은 북대서양을 횡단하는 동안 현실적인 기상 조건을 설명합니다 . 풍속과 방향은 이 특정 이동에 대해 평균적으로 예상되는 범위 내에서 경로를 따라 변경됩니다.

 Flettner 로터는 1920년대 항공 엔지니어인 Anton Flettner에 의해 발명되었습니다. 회전할 때 로터는 로터 양쪽의 기류 속도와 압력의 차이로 인해 추진력을 생성합니다. 이것을 마그누스 효과 라고 합니다 . 이 효과는 축구 선수의 프리킥이 구부러지고 득점하게 되기 때문에 일반 대중에게 잘 알려져 있습니다.

 이 예에서는 디젤 엔진만 장착된 기존 화물선을 가져와 유럽에서 미국까지 북대서양 여행 중 연료 소비를 평가합니다. 정확한 시뮬레이션을 위해 호텔 부하, 보조 엔진 연료 소비량, 바람, 파도, 조류가 선체 저항에 미치는 영향도 고려합니다.

 그런 다음 동일한 시뮬레이션을 실행하지만 이번에는 새로 장착된 Flettner 로터를 사용합니다. 2개, 4개 또는 그 이상까지 설치된 다양한 수의 로터를 시뮬레이션하는 것은 쉽습니다. 이 예에서는 두 개만 추가했습니다.

 바람을 이용한 선박 추진 시스템을 사용할 때 총 연료 소비에 미치는 영향은 선박의 순항 속도에 따라 동일하지 않습니다. 이들이 제공하는 추력은 풍속 및 방향과 연결되어 있으므로 선박이 더 빠르게 움직일수록 총 추력에 대한 기여도는 낮아집니다.

 이 예에서는 20노트, 18노트, 15의 세 가지 순항 속도를 보여줍니다.

로터와 프로펠러 추력

 위의 플롯은 두 가지 최대 속도 값(20노트와 15노트)에 대해 로터와 프로펠러에 의해 생성된 추력을 나타냅니다. 로터에 의해 생성된 추력은 비슷합니다(파란색 및 빨간색 곡선). 차이점은 선박의 속도에 영향을 받는 서로 다른 겉보기 풍향과 속도에서 비롯됩니다.

 프로펠러의 경우, 두 가지 경우(각각 15노트와 20노트, 녹색과 노란색 곡선)에서 생성된 추력은 크게 다릅니다. 15노트 케이스에서는 더 적은 전력이 필요하기 때문입니다.

 마지막으로 프로펠러가 제공하는 추력은 항상 로터가 제공하는 추력보다 높습니다. 그것들은 주요 추진원은 아니지만 도움을 주기 위해 존재합니다.

에너지 기여

 로터와 프로펠러 사이의 상대적 기여도를 더 잘 이해하기 위해 로터와 프로펠러가 제공하는 에너지 간의 비율을 살펴볼 수 있습니다.

 최대 속도가 감소함에 따라 로터의 에너지 기여도가 증가합니다. 20노트의 경우 로터 기여도는 6%~9%, 18노트의 경우 9~14%, 15노트의 경우 20~32%입니다.

 이는 로터의 기여도가 높기 때문에 최대 순항 속도를 줄이면 바람을 이용한 추진에 대한 관심이 높아진다는 것을 보여줍니다. 분명히 속도 감소의 단점은 이동 시간이 길어진다는 것입니다. 20노트의 경우 7.8일, 18노트의 경우 8.7일, 15노트의 경우 10.3일입니다.

로터가 소비하는 전력

 Flettner 로터를 회전하려면 전기 모터에서 제공하는 일정량의 전력이 필요합니다. 그런 다음 실제로 에너지를 소비하려면 저항 토크를 계산해야 합니다. 회전자 하위 모델은 저항 토크를 계산하지 않기 때문에 이것이 관성 하위 모델의 역할입니다. 관성 하위 모델에 의해 계산된 이 저항 토크는 가속 단계 중 관성과 모든 단계에서 마찰(건조, 점성 및 바람)으로 인해 발생합니다.

 이 플롯은 Flettner 로터가 소비하는 전력(정상 상태에서 약 200kW)을 보여줍니다. 출력의 음수 값은 예를 들어 회전 방향을 바꾸기 위해 로터가 속도를 늦추고 있음을 의미합니다.

 왼쪽의 플롯은 로터가 있을 때와 없을 때 필요한 연료량을 보여줍니다. Flettner 로터를 추가하면 보조 엔진의 연료 소비가 5톤 증가합니다.

총 연료 소비량, CO2 배출량

 마지막으로 총 연료 소비량과 CO2 배출량을 표시하고 선박에 로터를 장착하거나 최대 속도를 줄일 때 얻을 수 있는 다양한 이득을 계산할 수 있습니다.

 연료 소비량과 CO2 배출량은 최대 속도에 따라 8~21% 증가합니다. 예상한 대로 최대 속도가 감소하면 상대적 이득이 더 높아집니다. 더욱이, 로터가 없는 20노트 케이스와 로터가 2개인 15노트 케이스를 비교하면 이득은 최대 68%입니다.

 결론적으로, 이 모델은 순항 속도가 감소할 때 바람을 이용한 추진의 이점을 보여줍니다. 또한 이 모델은 다양한 수와 크기의 로터와 다른 경로의 추진 시스템 성능을 쉽게 테스트할 수 있으므로 유연합니다.

 다음은 영상을 통해 세부 사항을 확인하십시오.